一种新型双频微带天线的设计

郁 剑

(南京工业大学 计算机科学与技术学院，江苏 南京 211816)

0 引言

近年来，随着无线局域网(WLAN)(2.4～2.483 5 GHz,5.15～5.825 GHz)和车用无线通信技术(V2X)(5.905～5.925 GHz)等无线通信技术的快速发展，车载无线通信设备的研究已经成为热点。在车载无线通信设备中，天线[1-4]作为一个最重要的电路元件，天线的性能直接关系到整个车载系统的通信质量。此外，人们对无线通信的需要日益增长也对车载无线通信技术提出了新的要求，一套车载通信系统[5]可以同时满足不同无线通信标准的要求。目前的单频带通信系统已经无法满足实际应用的要求，无线通信系统都需要在多个频段工作。同时，由于车载无线通信系统整体尺寸的限制，对天线尺寸也提出了新的要求，天线设计人员正试图在减少天线物理尺寸的同时，又能覆盖WLAN和V2X频段。为了能够同时覆盖上述几个频段，超宽带天线被提出。但是，超宽带天线[6-7]也覆盖了许多不需要的频段，所以设计出同时能够工作在WLAN和V2X频段的多频段小型化天线[8-14]是很有必要的。

实现同时覆盖2个频段的一个简单方法是把一个工作在较低频带的单极子和另一个工作在2个更高频带的单极子组合在一起[4]。但是，工作频段低的天线具有较大的天线尺寸，所以，利用不同技术方法设计出的多频天线[5-9]不断被提出以满足多频带小型化的要求：L形/E形结构[5]、在地和辐射单元上开槽[6]，在槽单极子天线中嵌入矩形寄生单元[7]，2个耦合的C形条带[8]，短路、居中和偏置的3个短路销钉[9]。但是，在实际车载无线系统的应用中，这些设计方法设计出的天线大多都需要大的尺寸或是复杂的结构。

随着双频天线设计方法的不断发展，越来越多新型双频天线不断被提出[15-18]。为此，本文设计了一款能够同时适用于WLAN/V2X的新型双频微带贴片天线，天线辐射单元由2个完全相同的残缺椭圆环构成，利用2个椭圆环的合理组合，实现辐射单元在2个所需频段产生辐射。该双频天线的2个工作频段的电压驻波比(VSWR<2)分别为2.3～2.8 GHz和5.08～6.03 GHz，相对阻抗带宽分别达到了19.6%和17.1%。整个天线印刷在尺寸为40.0 mm×47.4mm，厚度为1.6 mm，介电常数为4.4的FR4介质基板上，辐射贴片的尺寸为23.6 mm×21.2 mm。该天线具有贴片尺寸较小、结构简单、频带覆盖宽、辐射性能良好等优点。

1 双频天线的优化设计

天线的辐射贴片是利用2个残缺椭圆环构成的单极子作为基础结构来进行演化的。所提出的微带双频贴片天线的演化过程如图1所示。

图1 双频贴片天线的设计过程Fig.1 Design process of the proposed dual-band patch antenna

从最初的单极子天线1(Antenna1)出发，通过在2个残缺椭圆环的上和下端分别增加突出枝节得到了天线2(Antenna2)和天线3(Antenna3)，以此来改善天线的工作频段，从而能够实现双频覆盖的特性。为了能够更好地覆盖WLAN/V2X两种通信工作频段，在天线1辐射单元的上下端都进行加载得到天线4(Antenna4)，通过仿真可以得到理想的双频覆盖特性。4副天线VSWR的仿真结果如图2所示。

图2 4副贴片天线仿真结果的对比Fig.2 Comparison of simulation results of four patch antennas

由图2可以看出，天线4可以在WLAN和V2X两个频段上实现很好的覆盖。

双频微带贴片天线4的几何结构如图3所示。

图3 双频贴片天线的结构图Fig.3 Structure of the proposed dual-band patch antenna

双频贴片天线的辐射单元由2个交错的残缺椭圆环(IERs)组成，2个IERs是关于介质基板中心对称的，椭圆环的中心与介质基板的中心相距的距离为m。椭圆环的外长轴与内长轴分别为e1和e2，同时，2个内外椭圆的长轴与短轴之比都为k，与天线辐射单元相连的是阻抗为50 Ω的微带馈线，馈线的长度和宽度分别为l1和w1，r0是残缺椭圆环所切部位的张角，接地板的尺寸为W×l1。利用电磁仿真软件 HFSS构建天线仿真模型并对天线结构参数进行优化，得到天线最终结构尺寸如表 1 所示，设定内外椭圆的长轴之差为s。

表1 天线结构参数Tab.1 Parameters of the proposed antenna 单位：mm/(°)

2 双频天线的仿真分析

对于所设计的双频贴片天线，各个参数的变化会直接影响天线的整体性能。为了能使所提出的双频贴片天线性能能够达到一个较好的效果，本文利用电磁仿真软件对天线中的部分参数进行优化、仿真和分析，图4和图5给出了天线VSWR随各个参数变化的仿真曲线。

参数m变化时，天线的VSWR随频率变化的仿真曲线如图4所示。

图4 2个残缺椭圆环间距对天线性能的影响Fig.4 Effect of distance between two incomplete elliptic rings on the antenna performance

从图4可以看出，当其他参数保持不变时，随着参数m的不断增大，天线的2个谐振点(高频谐振点和低频谐振点)都向低频段移动，高低频阻抗带宽的覆盖范围在缩小，并且在m达到一定值时，天线的2个谐振点基本保持不变。由基本的电磁场理论可知，天线的辐射单元环的总长度变化会导致环内的电流经过的路径变长，从而导致了谐振点往低频移动。因此，通过调整参数m，可以使天线在高低频段内得到理想的谐振点和阻抗带宽。残缺椭圆环对天线性能的影响如图5所示。

图5(a)所示的是轴比k变化时，天线的VSWR随频率变化的仿真曲线。由图5(a)可知，轴比k由0.5增大到1.3的过程中，天线的高低频谐振点基本未发生变化，但是，天线的高低频阻抗带宽都随着轴比的增大而展宽。因此，通过选择合适的轴比k可以获得满足WLAN/V2X通信需求的频率覆盖范围。图5(b)、图5(c)分别给出了参数e1和s变化时，天线的VSWR随频率变化的仿真曲线。从图5(b)和图5(c)给出的仿真结果可以看出，2个参数的变化对天线的低频谐振点、高频谐振点和低频阻抗带宽几乎没有影响，主要影响高频的阻抗带宽。e1由11.4 mm增大到12.2 mm的过程中，天线的高频阻抗带宽的变化规律与之相反，阻抗带宽是越来越小的；而s由1.9 mm增大到2.7 mm的过程中，天线的高频阻抗带宽的变化规律则是相同的，随着s的增大，高频阻抗带宽也随之展宽。通过上述3个参数的分析可以发现，参数k，e1，s都对天线的阻抗带宽产生影响，而对天线的高低频谐振点影响不大。所以，通过优化3个参数k，e1，s，可以得到满足性能要求的双频贴片天线。

(a) 天线 VSWR随k变化的仿真曲线

(a) E面

(a) 2.55 GHz

3 双频天线结果分析

设计的双频微带贴片天线的仿真电压驻波比(VSWR)曲线如图6所示。

图6 天线电压驻波比VSWR的仿真结果Fig.6 Simulation results of VSWR of the proposed antenna

由图6可以看出，天线的电压驻波比VSWR<2的阻抗带宽有两段，在2.4 GHz频段和5 GHz频段的范围分别为2.3～2.8 GHz和5.08～6.03 GHz，相对带宽分别达到了19.6%和17.1%，这两段阻抗带宽完全能够覆盖无线局域网WLAN频段(2.4～2.483 5 GHz，5.15～5.825 GHz)和车用无线通信技术V2X频段(5.905～5.925 GHz)。同时，在这2个频段内，分别给出了各自频段中心频率处的贴片天线表面电流分布图，如图7所示。当天线工作在2.55 GHz时，表面电流主要分布在天线的内环辐射贴片上；工作在5.55 GHz时，表面电流主要分布在天线的内环上部和上部枝节辐射贴片上。

为了考察天线的辐射特性，图8给出了天线在低频段2.45 GHz和高频段5.5，5.91 GHz四个频点上的zy面(E面)和xy面(H面)方向图。

由图8可以看出，天线在低频辐射频段内表现出和偶极子天线类似的辐射特性，即在H面，天线具有全向的辐射特性；在E面，天线的方向图类是“8”字。在高频辐射频段内，虽然天线的辐射方向图出现了畸变，但是，天线整体的辐射特性还是和偶极子天线的辐射特性相类似的[19]。

天线在空间中的峰值增益随频率变化的仿真结果如图9所示。

图9 仿真的峰值增益Fig.9 Peak gain of the proposed antenna

由图9可以看出，天线在低频阻抗带宽内，峰值增益的变化范围为2.01～2.74 dBi，带内的平均峰值增益为2.29 dBi；在高频阻抗带宽内，峰值增益的变化范围为2.45～3.31 dBi，带内的平均峰值增益为2.86 dBi。综上所述，天线在高、低频工作频段范围内，峰值增益的波动很小，说明天线的辐射性能保持稳定，保证了对无线通信信号的有效传输。

4 结束语

本文提出了一种新型的双频贴片天线，可同时工作于无线局域网WLAN频段(2.4～2.4835 GHz，5.15～5.825 GHz)和车用无线通信技术V2X频段(5.905～5.925 GHz)，具有良好的辐射效率，可应用于无线局域网和车用无线通信技术等无线通信设备上。同时，通过合理地调整2个残缺椭圆环中心之间距离和椭圆环的尺寸，设计出适合其他频段应用的微带天线。本方法设计出的天线具有贴片尺寸较小、结构简单、频带覆盖宽和辐射性能良好等优点，可以为双频微带贴片天线提供一种有效的设计路线。